直流電動機機械特性調(diào)速仿真研究

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2014屆畢業(yè)設(shè)計目錄1引言11.1本課題研究意義11.2課題的主要內(nèi)容21.3程序?qū)崿F(xiàn)思路21.3.1直流電動機的機械特性仿真21.3.2直流電動機的起動和制動仿真21.3.3直流電動機調(diào)速仿真31.4Matlab介紹32直流電動機的機械特性仿真62.1并勵直流電動機的機械特性仿真62.2他勵直流電動機的機械特性仿真93直流電動機直接起動和制動仿真153.1直流電動機直接起動研究153.1.1直流電動機直接起動仿真模型的建立153.1.2 直接起動仿真結(jié)果及分析163.2直流電動機串電阻起動研究163.2.1直流電動機串電阻起動仿真模型的建立16 3.2.2直流電動機串電

2、阻起動時電阻值計算以及仿真結(jié)果分析173.2.3直流電動機制動仿真214直流電動機調(diào)速研究244.1他勵直流電動機的電樞回路串入電阻調(diào)速244.2他勵直流電動機的降低電源電壓調(diào)速254.3他勵直流電動機的減弱磁通調(diào)速27參考文獻(xiàn)：31致謝33第 I 頁 共 I 頁1引言1.1本課題研究意義直流電動機具有良好的啟動、制動性能，宜于在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。長期以來，在電動機調(diào)速領(lǐng)域中，直流調(diào)速方法一直占主要地位。與交流電動機相比，直流電動機有良好的調(diào)速性能，它的調(diào)速范圍較廣；調(diào)速連續(xù)平滑；經(jīng)濟性好，設(shè)備投資較少，調(diào)速損耗較小，經(jīng)濟指標(biāo)高;調(diào)速方法簡便，工作可靠。在許多工業(yè)部門，例如大型軋鋼設(shè)備、大型

3、精密機床、礦井卷揚機、市內(nèi)電車、電纜設(shè)備要求嚴(yán)格線速度一致的地方等，通常都采用直流電動機作為原動機來拖動工作機械的。直流發(fā)電機通常是作為直流電源，向負(fù)載輸出電能；直流電動機則是作為原動機帶動各種生產(chǎn)機械工作，向負(fù)載輸出機械能。在控制系統(tǒng)中，直流電機還有其它的用途，例如測速電機、伺服電機等。Matlab語言是一種面向科學(xué)工程計算的高級語言，它集科學(xué)計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等功能于一體，是一種高級的數(shù)學(xué)分析與運算軟件，可用作動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真。目前，電機控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜，不斷有新的控制算法被采用。仿真是對其進行研究的一個重要的不可缺少的手段。Matlab的仿真研究功能被成功

4、方便地應(yīng)用到各種科研過程中。直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的電動機，通過這次課程設(shè)計使我學(xué)會用MATLAB進行基本仿真，通過課程設(shè)計實踐，樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)綜合運用MATLAB進行仿真，提高對直流電機知識的理解能力，解決實際問題的能力。學(xué)習(xí)使用MATLAB的一般方法、步驟，掌握Simulink的使用方法，以及其強大的仿真功能。學(xué)會用MATLAB仿真軟件仿真直流電動機的機械特性，直流電動機的起動和制動 ，直流電動機調(diào)速仿真，其中包括直流電動機的直接起動仿真，直流電動機電樞串聯(lián)電阻起動仿真，直流電動機的能耗制動仿真，直流電動機反接制動仿真，直流電動機改變電樞電壓調(diào)速仿真和直流電動機改變勵

5、磁電流調(diào)速仿真。通過此次設(shè)計，增強了我的自我動手能力，了解直流電動機的各種人為改變參數(shù)的操作特性，理論聯(lián)系實際，在實際的工作過程中積極地去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。1.2課題的主要內(nèi)容了解直流電機工作原理、結(jié)構(gòu)、基本電磁關(guān)系的基礎(chǔ)上，對直流電動機的人為機械特性進行繪制，并且通過運用不同的起動和制動、調(diào)速方法對直流電動機的暫態(tài)過程進行仿真研究。而更好的理解直流電動機的的控制特性、控制規(guī)律、和工作特性。1.學(xué)習(xí)并掌握直流電機的基本理論，理解直流電動機的基本工作原理與工作特性。2.通過改變電樞電壓、電樞電阻、改變磁通等方法獲得各種人為機械特性，并通過仿真得出結(jié)果。3.直流電動機的起動運用直接起動或減壓起動

6、、電樞串電阻起動等方式，制動運用回饋制動、反接制動、能耗制動等方式對直流電動機的起動和制動進行仿真分析，建立仿真模型同時給出仿真結(jié)果。4.調(diào)速分析主要是通過串聯(lián)電阻、改變電樞電壓或改變勵磁電流調(diào)速方式來實現(xiàn)。建立仿真模型。5.熟練掌握Matlab的simulink和Power system工具箱，以調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，弄清楚系統(tǒng)的構(gòu)成，并在模塊庫中找出相應(yīng)的模塊，完成對各個組成環(huán)節(jié)的元件參數(shù)配置，對系統(tǒng)進行仿真，并給出結(jié)論。1.3程序?qū)崿F(xiàn)思路1.3.1直流電動機的機械特性仿真直流電動機的人為機械特性主要有改變電樞電壓,改變電樞電阻和改變磁通三種情況。根據(jù)已知的直流電動機的參數(shù)，使用

7、MATLAB編制M文件，通過計算可以畫出直流電動機的人為機械特性曲線。他勵直流電動機和串勵直流電動機的工作特性不同，通過仿真計算可以獲得這些特性曲線。 1.3.2直流電動機的起動和制動仿真 直流電動機的直接起動仿真，直流電動機直接起動時，起動電流很大，可達(dá)額定電流的10-20倍，由此產(chǎn)生很大的沖擊轉(zhuǎn)矩。在實際運行時不允許直流電動機直接起動。要求使用Simulink對直流電動機的直接啟動過程建立仿真模型，通過仿真獲得直流電動機的直接啟動電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化過程。 直流電動機電樞串聯(lián)電阻起動仿真:建立他勵直流電動機電樞串聯(lián)三級電阻起動的仿真模型，仿真分析其串聯(lián)電阻起動過程，獲得起動過程的電樞電流，

8、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線。 直流電動機的能耗制動仿真要求使用Simulink建立直流電動機的能耗制動的仿真模型，仿真分析獲得轉(zhuǎn)速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過程曲線。 直流電動機反接制動仿真要求使用Simulink建立直流電動機的電壓反向反接制動的模型，仿真分析獲得轉(zhuǎn)速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過程曲線。 1.3.3直流電動機調(diào)速仿真他勵直流電動機的調(diào)速方法有三種，即電樞回路串電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速和改變勵磁電流（減弱磁通）調(diào)速。直流電動機改變電樞電壓調(diào)速仿真要求實用Simulink建立他勵直流電動機的改變電樞電壓的仿真模型，仿真分析獲得轉(zhuǎn)速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過程曲線。直流電動機改變

9、勵磁電流調(diào)速仿真要求使用Simulink建立他勵直流電動機改變勵磁電流的仿真模型，仿真分析獲得轉(zhuǎn)速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的暫態(tài)過程曲線1.4Matlab介紹Matlab是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C+語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C+語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是MATLA

10、B能夠深入到科學(xué)研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C+ 。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、

11、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復(fù)數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特

12、殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。MATLAB對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計

13、、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學(xué)庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于MATLAB運行的C和C+代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進行交互的C或C+語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個重要特色就是具有一套程序擴展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主

14、要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進行連接。2直流電動機的機械特性仿真直流電動機的機械特性是指在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：n=f(Tem)。由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是機械量，所以把它稱為機械特性。電樞回路電阻R、端電壓U和勵磁磁通都是可以根據(jù)實際需要進行調(diào)節(jié)的，每調(diào)

15、節(jié)一個參數(shù)可以對應(yīng)得到一條機械特性，所以可以得到許多條機械特性。其中，電動機自身所固有的，反映電動機本來“面目”的機械特性是在電樞電壓、勵磁磁通為額定值，且電樞回路不外串電阻時的機械特性，稱為電動機的固有（自然）機械特性；調(diào)節(jié)U、R、等參數(shù)后得到的機械特性稱為人為機械特性。 直流電動機的人為機械特性主要有改變電樞電壓改變電樞電阻和改變磁通三種情況。根據(jù)已知條件，使用Matlab編寫M文件，通過計算機可以畫出直流電動機的人為機械特性曲線。某直流電動機，已知額定值為U=220V，P=22W，I=115A，Nn=1500r/min;某電樞電阻R=0.18；勵磁電阻R=628。求出，并分別劃出固有機械

16、特性曲線和改變電樞電壓、改變電樞電阻、改變勵磁同時的人為機械特性曲線。2.1并勵直流電動機的機械特性仿真clear;U_N=220;P_N=22;I_N=115;n_N=1500;R_a=0.18;R_f=628;Ia_N=I_N-U_N/R_f;C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N;C_TPhi_N=9.55*C_EPhi_N;Ia=0;Ia_N;n=U_N/C_EPhi_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia;Te=C_TPhi_N*Ia;P1=U_N*Ia+U_N*U_N/R_f;T2_N=9550*P_N/n_N;figure(1);plot(Te,n,'.-

17、');xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m');ylabel('轉(zhuǎn)矩n/rpm');ylim(0,1800);figure(2);plot(Te,n,'rs');xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m');ylabel('轉(zhuǎn)速n/rpm');hold on;R_c=0;for coef=1:-0.25;0.25; U=U_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('

18、;U=',num2str(U),'V'); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str);endfigure(3);n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,'rs');xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m');ylabel('轉(zhuǎn)矩n/rpm');hold on;U=U_N;R_c=0.02;for R_c=0:0.5:1.9; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(

19、Te,n,'k-'); str=strcat('R=',num2str(R_c+R_a),'Omega'); s_y=400*(4-R_c*1.8); text(120,s_y,str);endylim(0,1700);figure(4);R_c=0;n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te;plot(Te,n,'rs');xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m');ylabel('轉(zhuǎn)速n/rpm');hold on;U=U_N;R_c=0.02;

20、for R_c=0.5:0.25:1.3; C_EPhi=C_EPhi_N*coef; C_TPhi=C_TPhi_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('phi=',num2str(coef),'*phi_N'); s_y=900*(4-coef*2.2); text(120,s_y,str);end 圖2.1并勵直流電機固有機械特性 圖2.2降低電樞電壓人為機械特性 圖2.3增加電樞電阻人為機械特性 圖2.4改變磁通

21、人為機械特性2.2他勵直流電動機的機械特性仿真U_N=220;P_N=22;I_N=115; n_N=1500;R_a=0.18; Ia_N=I_N; C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N; C_TPhi_N=9.55*C_EPhi_N; %假定Phi=Phi_N,U=U_N, Ia=0:Ia_N; n=U_N/C_EPhi_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia; Te=C_TPhi_N*Ia; P1=U_N*Ia; T2_N=9550*P_N/n_N; figure(1); plot(Te,n,'.-'); xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m&#

22、39;);ylabel('轉(zhuǎn)速n/rpm'); ylim(0,1800); %計算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，不同的條件下的機械特性 figure(2); plot(Te,n,'rs'); xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩 Te/N.m'); ylabel('轉(zhuǎn)速n/rpm');hold on; R_c=0; For coef=1:-0.25:0.25; U=U_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat(

23、9;U=',num2str(U),'V'); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str); end %計算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，不同的條件下的機械特性 figure(3); n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'rs'); xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m'); ylabel('轉(zhuǎn)速n/rpm'); hold on; U=U_N;R_c=0.02; for R_c=0:0.5:1.9; n=U/C_EPhi_N-(R_a+

24、R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('R=',num2str(R_c+R_a),'Omega'); s_y=400*(4-R_c*1.8); text(120,s_y,str); end ylim(0,1700); %計算轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系，不同的條件下的機械特性 figure(4); R_c=0; n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'rs'); xlabel('電

25、磁轉(zhuǎn)矩Te/N.m'); ylabel('轉(zhuǎn)速n/rpm'); hold on; U=U_N;R_c=0; for coef=0.5:0.25:1.3; C_EPhi=C_EPhi_N*coef; C_TPhi=C_TPhi_N*coef; n=U/C_EPhi-(R_a+R_c)/(C_EPhi*C_TPhi)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('phi=',num2str(coef),'*phi_N'); s_y=900*(4-coef*2.2); text(120,s_y,str); e

26、nd ylim(0,3500); 圖2.5 固有機械特性曲線 圖2.6改變電樞電壓的人為機械特性曲線隨著電壓的降低，理想空載轉(zhuǎn)速線性下降，但直線的斜率保持不變，也就是說，機械特性的硬度保持不變。圖2.7串電阻的人為機械特性曲線電阻的增加直線的斜率增大。表面電機的轉(zhuǎn)速下降增大，機械特性的硬度降低。但考慮到理想空載轉(zhuǎn)速不變，因此。電樞回路串電阻時所有人工機械特性曲線都交于縱坐標(biāo)的理想空載點。圖2.8弱磁的人為機械特性曲線 由于勵磁電流的減小使得磁通也 減小，對應(yīng)于縱坐標(biāo)軸上的兩個極點（1）理想空載轉(zhuǎn)速升高，（2）短路電流保持不變，但是相應(yīng)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩減小。3直流電動機直接起動和制動仿真3.1直流電動

27、機直接起動研究直流電動機剛與電源接通的瞬間，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動起來時，他勵和串勵電動機的電樞電流以及并勵和復(fù)勵電動機的輸入電流稱為起動電流，這時的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩。一般情況下，在額定電壓下直接起動時，起動電流可達(dá)電樞電流額定值的1020倍，起動轉(zhuǎn)矩也能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的1020倍，這樣的起動電流是換向所不允許的，而且過大的起動轉(zhuǎn)矩會使電動機和它所拖動的生產(chǎn)機械遭受突然的巨大沖擊，以致?lián)p壞傳動機械和生產(chǎn)機械。由此可見，除了額定功率在數(shù)百瓦以下的微型直流電動機，因電樞繞組導(dǎo)線細(xì)、電樞電阻大以及轉(zhuǎn)動慣量又比較小，可以直接起動以外，一般的直流電動機是不允許采用直接起動的。3.1.1直流電動機直接起動仿真模型

28、的建立直流電動機直接啟動在MATLAB/SIMULINK中的仿真模型如圖3.1所示。在圖3.1中電動機勵磁繞組和電樞繞組的輸入端并聯(lián)后再與直流電源電壓Vd的正極端相連接，電動機勵磁繞組和電樞的輸出端通過T形接點并聯(lián)后與直流電源Vd的負(fù)極端連接在一起，這時電動機的模型為并勵形式，電動機參數(shù)設(shè)置為：PN=17kW，UN=220V，IN=88.9A，nN=3000r/m，電樞電路總電阻Ra=0.08，勵磁回路總電阻Rf=181.5，電動機轉(zhuǎn)動慣量J=0.76kg·m2。電動機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由常數(shù)模塊TL設(shè)定，后在電動機模塊的m端接上示波器，用于觀察電動機的各項波形，Demux分解模塊用于輸出轉(zhuǎn)

29、速、電樞電流、勵磁電流和轉(zhuǎn)矩四項參數(shù)。放大器(Gain)將rad/轉(zhuǎn)換為r/min，變換系數(shù)為K=60/2=9.55。圖3.1直流電動機直接啟動仿真模型3.1.2 直接起動仿真結(jié)果及分析直流電動機直接起動仿真波形如圖3.2所示，在圖3.2的仿真波形中很容易看出電動機在直接啟動時啟動電流很大，最大可達(dá)到2500A，起動轉(zhuǎn)矩最大可以達(dá)到1800N·m。電動機在啟動0.4s后，轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min，電流下降為額定值89A左右。轉(zhuǎn)矩也有相應(yīng)變化，從圖3.2仿真波形可以看出直流電動機直接起動造成大電流和大轉(zhuǎn)矩，很容易損壞電機和負(fù)載，因此這是不允許的。圖3.2直接啟動模型仿真波形3.2直流

30、電動機串電阻起動研究由上所述，大型直流電動機不宜采用直接起動，因此本文采用串電阻起動。具體實現(xiàn)方法是基于圖3.1所示的直接起動模型基礎(chǔ)上，采用三級串電阻方法限制啟動電流，控制啟動電流在200100A之間，通過仿真設(shè)計選擇啟動電阻和切換時間。3.2.1直流電動機串電阻起動仿真模型的建立直流電動機串電阻起動仿真模型如圖3.3 所示，該模型在圖3.1所示直接起動模型的基礎(chǔ)上，在電樞回路中串聯(lián)一個由三級電阻組成的啟動器。在每個電阻(R1、R2、R3)上并聯(lián)一個理想開關(guān)，用于切除電阻，開關(guān)受Step模塊控制。(注：在Step模塊對話框中設(shè)定單位階躍信號發(fā)生時刻，即可控制開關(guān)的閉合，從而短接該電阻)。模型

31、檢測將轉(zhuǎn)速n、電樞電流I等送入示波器。 圖3.3直流電動機串電阻啟動仿真模型3.2.2直流電動機串電阻起動時電阻值計算以及仿真結(jié)果分析為了實現(xiàn)直流電動機串電阻起動，對于電樞繞組串入電阻值的計算非常重要，需要計算精確，本文為了盡可能地降低起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，采用三級串電阻計算方法。具體實現(xiàn)步驟如下（1）將step模塊2和3的階躍信號發(fā)生時間設(shè)為“0”，step1設(shè)為20s，R1接入電樞回路，并初選R'1的阻值。在模型中設(shè)R1=R'1=1，得到仿真圖形如圖3.4所示圖3.4 串一級電阻啟動時的轉(zhuǎn)速和電流波形由圖3.4可知，串聯(lián)電阻后最大啟動電流為200A，在3.5s時電流下降到10

32、0A，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為1500r/min，相對于直流電機直接起動，起動電流從2500A變?yōu)?00A，顯著地減低了，起到了保護電機的作用。為了進一步減少起動電流，需要減小啟動電阻，計算R1的阻值和預(yù)選R'2阻值。（2）重新設(shè)定R1和R2(R2=R'2)并設(shè)step1的信號發(fā)生時間為3.5s，設(shè)step2信號發(fā)生時間為20s得到仿真圖形如圖3.5所示。圖3.5 串二級電阻啟動時的轉(zhuǎn)速和電流波形從圖5中可知，在啟動6s后電流再次下降到100A，此時的轉(zhuǎn)速為2200r/min。為了進一步減少起動電流，需要再次減小啟動電阻。根據(jù)式(4)和(5)可以計算R2和R3阻值。=0.162（3）：重新

33、設(shè)定R2和R3，并設(shè)step2的信號發(fā)生時間為6s，設(shè)step3的信號發(fā)生時間為20s得到仿真圖形如圖3.6所示。圖3.6 串三級電阻啟動時的轉(zhuǎn)速和電流波形從圖3.6可知在啟動8s后起動電流再次下降到100A，此時的轉(zhuǎn)速為2800r/min，需要再次切除R3，因此設(shè)step3的信號發(fā)生時間為8s，再次仿真，得到圖形如3.7所示。圖3.7 切除R3啟動時的轉(zhuǎn)速和電流波形由圖3.7可知：在切除R3后，轉(zhuǎn)速升到3000r/min，在整個啟動過程中電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。3.2.3直流電動機制動仿真直流電動機有4種制動方式,分別為能耗制動、反接制動、倒拉反轉(zhuǎn)和回饋制動。設(shè)定在制動狀態(tài)下,

34、負(fù)載折合到電動機軸上的阻力矩為3844.0 N/m,折合到電動機軸上的角速度為38 rad/s依據(jù)這些參數(shù)分別對電動機的能耗制動和反接制動狀態(tài)進行仿真。選擇powerlib中的模塊拖放到Simulink仿真環(huán)境中,構(gòu)成能耗制動仿真配置如圖3.8所示,預(yù)先設(shè)定負(fù)載扭矩的大小。開關(guān)1,2受定時器的控制,電機啟動時開關(guān)1閉合,2斷開,此時電機帶動負(fù)載運行,然后同時斷開開關(guān)1,閉合2,將一個電阻串入電動機的電樞電路,電動機進入能耗制動狀態(tài)。改變串入阻值的大小,可以得到不同的仿真結(jié)果,當(dāng)阻值為48時,仿真結(jié)果如圖3.9所示。電動機穩(wěn)定運行于第四象限的A點,扭矩接近3800.0 N/m,轉(zhuǎn)速接近-38ra

35、d/s(此刻電機為反轉(zhuǎn)),可見串入的電阻可以滿足實際要求。反接制動仿真配置如圖3.10所示,電機啟動時開關(guān)1閉合,2斷開,此時電機帶動負(fù)載運行,然后同時斷開開關(guān)1,閉合2,將一個反接電源和一個電阻串入電動機的電樞電路,電動機進入反接制動狀態(tài).改變反接電源和串入阻值的大小,可以得到不同的仿真結(jié)果,當(dāng)反接電源為260V,阻值為38時,得到仿真結(jié)果如圖3.11所示。電動機穩(wěn)定運行于第四象限的A點,扭矩接近3800.0 N/m,轉(zhuǎn)速接近-38rad/s,可見串入的反接電源和電阻可以滿足要求。圖3.8 能耗制動仿真配置圖3.9 能耗制動仿真結(jié)果圖3.10 反接制動仿真配置圖3.11 反接制動仿真結(jié)果4直

36、流電動機調(diào)速研究現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)機械為適應(yīng)其工藝過程要求，在不同的場合下必須具有不同的轉(zhuǎn)速來進行工作，以保證生產(chǎn)機械的合理運行，并提高產(chǎn)品質(zhì)量。直流調(diào)速即直流電動機速度控制，是指在直流傳動系統(tǒng)中人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機械對不同轉(zhuǎn)速的要求如金屬切削機械在進行精加工時，為提高工件的表面光潔度而需要提高切削速度。由此可見，調(diào)速在生產(chǎn)機械的運行中，具有重要的意義。從機械特性上看，就是通過改變電動機的參數(shù)或外加電壓等方法，改變電動機的機械特性，從而改變它與工作機械特性的交點，改變電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度以他勵直流電動機為例，直流電動機有三種基本調(diào)速方法：(1)他勵直流電動機的電樞

37、回路串入電阻調(diào)速；(2) 他勵直流電動機的降低電源電壓調(diào)速；(3)他勵直流電動機的減弱磁通調(diào)速。以下分別進行討論"4.1他勵直流電動機的電樞回路串入電阻調(diào)速電樞回路串入電阻調(diào)速要求，僅通過改變電樞回路的電阻來調(diào)節(jié)速度。此時，他勵直流電動機的理想空載轉(zhuǎn)速不變，額定轉(zhuǎn)速降變大，特性變軟。如4.1所示，設(shè)他勵直流電動機工作在固有機械特性曲線的點上，以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。為了調(diào)節(jié)速度，將接觸器 KM 的常開觸頭斷開，串入電阻，此時，他勵直流電動機的工作點從固有特性曲線移到人為特性曲線上運行，他勵直流電動機所對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)速為 nc串入不同的電阻，可獲得不同的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。用電樞回路串聯(lián)電阻的方法調(diào)速時，雖

38、然設(shè)備簡單!操作方便，但因電動機的機械特性變軟，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響大，此時輕載時達(dá)不到調(diào)速的目的，重載時還會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，而且在串聯(lián)電阻中流過的是電樞電流，長期運行時損耗也大，經(jīng)濟性差，因此這種調(diào)速方法在使用上有一定局限性。圖4.1串入電阻接線4.2他勵直流電動機的降低電源電壓調(diào)速不同的人為機械特性對應(yīng)不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖4.2中的 a!b!c 點所示。如將電源電壓由 UN調(diào)至U1，則他勵直流電動機的工作點將由 a 點經(jīng) v 點過渡到 c 點，其特性曲線是一簇以 U 為參數(shù)的平行直線。在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有較大的硬度，在允許的轉(zhuǎn)速變化率范圍內(nèi)可以獲得較低的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，故此種方法的調(diào)速范圍較寬，一般

39、可達(dá) 10%12。通過電壓正反向變化，使電動機能平滑地起動和工作在四個象限，能實現(xiàn)回饋制動，而且控制功率較小，效率較高，配上各種調(diào)節(jié)器可組成性能指標(biāo)較高的調(diào)速系統(tǒng)，因此在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 圖4.2他勵直流電動機降低電源電壓調(diào)速時的機械特性線圖4.3他勵直流電動機改變電樞電壓調(diào)速仿真模型原理圖4.4他勵直流電動機改變電樞電壓調(diào)速仿真結(jié)果4.5他勵直流電動機改變勵磁電壓仿真模型原理圖4.3他勵直流電動機的減弱磁通調(diào)速他勵直流電動機在額定磁通下工作時，磁路已接近飽和，因此，一般采用減磁調(diào)速。在 U=UN，電樞回路中不串入附加電阻時，若減弱磁通，則理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降將均隨磁通的減小而升高，因此，

40、他勵直流電動機的磁通越弱，其機械特性越軟。采用調(diào)節(jié)勵磁調(diào)速方法時，在高速下由于電樞電流去磁作用增大，使轉(zhuǎn)速特性變得不穩(wěn)定，換向性能也會下降。因此，采用改變磁通量來調(diào)速的范圍是有限的。4.6他勵直流電動機弱磁調(diào)速原理圖 4.7他勵直流電機弱磁調(diào)速仿真結(jié)果圖圖4.8他勵直流電動機改變磁通調(diào)速是轉(zhuǎn)速-電流關(guān)系仿真結(jié)果由于弱磁調(diào)速只能升速，而轉(zhuǎn)速的升高受到換向條件和機械強度的限制，調(diào)速范圍不大，因此單獨使用弱磁調(diào)速方法意義不大。對于要求調(diào)速范圍較大的系統(tǒng)，常常把調(diào)壓與調(diào)磁兩種方法配合使用。以電動機的額定轉(zhuǎn)速作為基礎(chǔ)速度，在基速以下采用調(diào)壓調(diào)速，在基速以上采用弱磁調(diào)速。上述他勵直流電動機三種調(diào)速的性能與

41、應(yīng)用場合如表一所示，可根據(jù)生產(chǎn)機械的調(diào)速要求合理選擇調(diào)速方法。表一 他勵直流電動機調(diào)速方法比較調(diào)速方法調(diào)整范圍D相對穩(wěn)定性平滑性經(jīng)濟性應(yīng)用串電阻調(diào)速在額定負(fù)載下D=2，輕載D更小差差調(diào)速設(shè)備投資少，電能損耗大對調(diào)速性能要求不高的場合，適合與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載配合減壓調(diào)速一般約為8；100kw以上電動機可達(dá)10：1kw一下的電動機為3左右好好調(diào)速設(shè)備投資大，電能損耗小對調(diào)速要求高的場合，適合與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載配合弱磁調(diào)速一般直流電動機約為1.2；變磁通電動機最大可選4較好好調(diào)速設(shè)備投資少，電能損耗小一般與降壓調(diào)速配合使用，適合與恒功率負(fù)載配合直流電動機具有良好的起動，制動性能，宜于在較大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。長期以來在電動機調(diào)速領(lǐng)域中，直流調(diào)速方法一直占主要地位。與交流電動機相比，直流電動機有良好的調(diào)速性能，它的調(diào)速范圍較廣；調(diào)速連續(xù)平滑；經(jīng)濟性好，設(shè)備投資較少，調(diào)速損耗較小，經(jīng)濟指標(biāo)高；調(diào)速方法簡便，工作可靠。因此在現(xiàn)代生產(chǎn)機械中被廣泛采用。參考文獻(xiàn)：1 王瑞安. 關(guān)于非獨立控制勵磁的他勵直流電動機采用雙通道LQSF直流調(diào)速系統(tǒng)時勵磁回路控制的探討J. 冶金自動化, 1983,(